摘要：由水輪發電機組水（shuǐ）輪機套筒引起的故障是水電站（zhàn）運行過（guò）程中存在的一個普遍問題，涵蓋設計、製造、安裝、檢修、運行等方麵的（de）原因。運（yùn）行中機組的不同負荷工況引起套筒（tǒng）漏水、抱死的也有（yǒu）差異，需及時找出其中原因並采取措施消除。文章介紹了某水電廠4號機組運行時導（dǎo）葉套筒與導葉發生抱死現象後，導致導葉不能（néng）操作的現象描述和分析（xī），以及采用的措施和取得的效果，繼而提出今後對導葉軸套方麵的改進設想。

關鍵（jiàn）詞（cí）：水電廠；水輪機組軸套；材料

0 引言

      某水電（diàn）廠4 號機組1974年投運， 於（yú）1998年完成增（zēng）容改造， 機組額定功率由225MW增容至255MW。增容改造中水（shuǐ）輪機部分（fèn）除埋設部（bù）件和水輪機大軸、水導瓦未進行更換外，重新設計（jì）製造了（le）轉輪、頂蓋、活動（dòng）導葉、底環、接力器及水輪機附屬部件。水輪機結構為立軸（zhóu）混流式（HL430a-LJ-550），發電機為二導懸吊式（TS255/12640-48） ， 均由哈爾濱電機廠製造， 額定轉速1 2 5 r / m i n ， 額定流（liú）量290m3 /s 。導水（shuǐ）機（jī）構的（de）導葉軸套由上、中、下軸套構成，上軸套為聚甲（jiǎ）醛鋼背複合材（cái）料軸套， 中、下軸套采用1010，期間運行穩定，增容改造後進行（háng）了兩次擴修， 分別為2 0 0 3 年（nián）和2 0 0 9 年。2 0 0 9 年擴修時應用了MC尼龍材料作為導葉中、下軸套（tào），其安裝間（jiān）隙為0.4mm~0.45mm，穩（wěn）定運行半年（nián）後，機組在90MW~240MW負荷區間出現導葉發卡， 並伴（bàn）有負荷調整不（bú）順暢現象， 在後期檢修發現中、下軸套內徑平均收縮量均為0 . 5 m m 。產生軸套與活動（dòng）導葉軸頸過盈0.05mm~0.1mm， 對中（zhōng）軸套內徑進行機加（jiā）工， 其與（yǔ）導葉軸頸裝配後間隙加工後為0.65mm~0.7mm。下軸套更換（huàn）為尼龍1010，導葉（yè）軸頸裝配後間隙擴大為（wéi）0.65mm~0.7mm， 完成事故處理。

1 故障發生情況

      2010年8 月8日由於上遊降雨影響，黃（huáng）河攜帶超過1 0 0 k g / m 3沙量入庫， 機組（zǔ）過機沙量達58kg/m3。8月9日發現導葉有發卡現象，負荷在國電（diàn）業·技術 2013年第（dì）5期90MW~240MW區間出現（xiàn）導葉發卡，並伴有不（bú）同程度的調整不順暢的現象，相應接力器開度為50%~98%，截止9月2日，累計導葉發卡故障發生二十多次，具有代表性情況如下。

      1.1 8月9日

      上位機（jī）簡報發出“電調故障”、“調速器比例閥工作複歸”。有功（gōng）給定220MW，實發240MW。調速器在數字閥、自動。一次調頻（pín）退出。A機比例閥拒動，數字閥拒動，B機數字閥拒動，調速器在B機，比例（lì）閥。具體情況如表1所示。

      調速器切機手動，故障信（xìn）號複歸正常，水車室檢查無異常。調（diào）整負荷不動（dòng）（240MW），當時全廠（chǎng）出力1100MW。

      1.2 8月10日

      落門停機，檢（jiǎn）查導葉各部沒（méi）有發現明顯異常。調速器靜態試驗模擬開、停機，並（bìng）網，增減（jiǎn）負（fù）荷動作正確。並網帶負荷到140MW時，B機比例閥拒動自（zì）動切至數字閥，繼續增減負荷，數字閥拒動信號出現。調速器切機手動，增減負荷正常（cháng）。調速器切自動B套數字（zì）閥增減負荷正常， 調速器切自動（dòng）B套比例閥增減負荷正常（cháng）。（200MW~240MW）

      1.3 8月11日

      小範圍調整負荷，由（yóu）200MW降至170MW動作正常，由170MW升至200MW時，負荷調整不動。檢查A機數字（zì）閥拒動，B機（jī）比例閥、數字閥拒動。在（zài）機手動方式下負荷隻（zhī）能降不能升，雙重濾過器切換一次無效。負（fù）荷設置為100MW，當負荷升至90MW後不上升，當時導葉開度48%，調速器顯示：A機（jī）數字閥（fá）拒動，B機比例閥、數字閥拒動（dòng）。切（qiē）至機手動後負荷隻能降不能升。停機，進水口閘門全落。做（zuò）摩擦力矩試驗： 油壓為1.3MPa時（shí）， 導葉開到48%不動。油壓為1.35MPa時，導葉開到50%不動。導葉靜摩擦力明顯增大，壓力在1.3MPa時導（dǎo）葉開到47%不動，1.35MPa時（shí）50%，導葉開度越大，壓力也要越高，如表2所示。

2 處理情況

      累計（jì）對導（dǎo）葉發卡缺陷進行了六次（cì）排查，具體如下。

      1）開蝸殼門對導葉進行檢查，未發現有異物卡阻（zǔ），開機（jī）並網後140MW~160MW負荷導葉依舊卡阻。

      2 ） 調速器動作試（shì）驗和導葉靜摩擦力矩試驗，初步判定導（dǎo）葉發卡是由於（yú）導水（shuǐ）機（jī）構靜摩擦力（lì）矩增大所（suǒ）致。

      3）調速器雙重過濾（lǜ）器檢查（chá）清（qīng）掃（sǎo）、引導閥活（huó）塞檢查清（qīng）掃、調速環（huán）檢查、中軸套檢查和（hé）導葉立麵、端麵間隙檢查，檢查後再（zài）次進行了導水機構摩擦力矩試驗，排除了調速器（qì）故障、接力器故障、調速環摩擦塊損（sǔn）壞、中軸套進沙的原因。

      4）導葉端麵（miàn）間隙調整、拉緊度試驗，通過係列排查判斷導葉發卡是由於（yú）導葉端麵間隙變動和導葉軸套（材料為MC尼龍）吸（xī）水膨（péng）脹所致。

      5）導葉端麵間隙調（diào）整和導葉中軸（zhóu）套（材料為MC尼龍）膨脹處理。

      6 ） 通過測量發現機組2 0 隻導葉中軸套平均膨脹量達0.5mm，與導葉中軸徑配合平均徑向過盈量0.1mm。因此對4號機組導葉端麵間隙調整和導葉（yè）中軸套（ 材料為MC尼龍） 重新（xīn）進行膨脹處理，全部進行（háng）了車削加工，加工後與與導葉（yè）中軸徑平均配合間隙0.42mm， 下軸套更換為（wéi）尼龍1010，導葉軸頸裝配後間隙（xì）擴大為0.65mm~0.7mm，如表3，表4所示。

3 故障分析

      3.1 導葉軸套結構

      上、中軸套布置在頂蓋套筒（tǒng）上下兩端，上軸套主要起輔助（zhù）支撐（chēng）導葉的作用，中軸套直接與轉輪上（shàng）腔相通，主（zhǔ）要是為了密（mì）封（fēng）機組運行時轉輪上腔（qiāng）壓力水。中軸套密封形式為“L”型密封和 “O”型密封。導葉下軸套布置在底環上（shàng），采用 “O”型密封圈防止（zhǐ）泥（ní）沙進入。

3.2 原因分（fèn）析

      針對（duì）導葉出現發卡（kǎ）現象，通過（guò）調速器試驗和接力（lì）器動作試驗排出了（le）導葉異物卡阻、調速器（qì）故障、接力器故障、調速環摩擦塊損壞等（děng）因素。通

      過測量中（zhōng）軸套（tào）內徑並與上年度檢修安裝後相比收（shōu）縮0.5mm，與導葉軸頸形成過盈配合，其（qí）原因是尼龍（lóng）材料的物（wù）理特性發生（shēng）變化引（yǐn）起的膨脹。采取機加工的處理方法對內孔車削，使所有中軸套內徑擴大間隙至0.65mm~0.7mm後；對中軸套（tào）間隙處理後導葉發卡現象（xiàng）依舊存在，進而引申（shēn）為（wéi）導葉下軸套間隙（xì）過小成為發卡的主要原因，對此現象，將（jiāng）機組檢修（xiū）工期延長，分解水輪機部件，更（gèng）換下軸套，處理（lǐ）後故障消除，機組運（yùn）行（háng）穩定。供貨（huò）商認為MC尼龍材料在各種物理化學性能上均優於尼龍1010，原（yuán）來其他型號逐漸淘汰，都轉為生產MC尼龍產品。但（dàn）MC尼龍軸套是否能符合該電廠比較特殊的工況條（tiáo）件，還需要（yào）進一步試驗論證，但作為尼龍材料的主要物理性能參數（shù）的膨脹係數（shù）顯然不能滿足電站的使用條件，具有一定的風險（xiǎn）性。

      3.3 間隙選（xuǎn）擇的理論依據（jù）

      水輪機設計手冊[1]對離心熔鑄尼龍1010軸套的設計計算方法如下。

      壓入（rù）過盈（yíng）量：Δ1=2×10-3D； (1)

      與軸頸配合間（jiān）隙：Δ2=1+A+C。 (2)

      其中D 為軸套外（wài）徑； A 為設（shè）計要求實際間隙；計算方法為（wéi）A=0.22d/100；d為導葉相應軸頸（jǐng）；C為壁厚引起的內徑收縮修正值；當（dāng）壁厚大（dà）於10mm時；取值為0.05mm~0.1mm。

      對於該電廠機組（zǔ）中軸（zhóu）套外（wài）徑300mm，內徑266mm，下軸套（tào）外徑250mm，內徑225mm，由於中下軸（zhóu）套加工工藝采用壓入後（hòu）二次加工至配合間隙，故公式（2）中Δ1取值為零經過（guò）計算，中軸套壓入過盈（yíng）量為0.6mm，與導葉中軸徑間隙為0.65mm~0.7mm；下軸套（tào）壓（yā）入過盈量為0.5mm，與導葉（yè）下軸徑間隙為0.55mm~0.6mm。

      尼龍（lóng）產品供貨（huò）商在經驗上對套筒間隙進行（háng）了如下計算。

4 改進方案

      水輪機套筒軸（zhóu）套與導葉之間的抱死現象產生是設計間隙、運行工況（kuàng）、材料（liào）選擇等多方麵的綜合體現，也（yě）是水電廠常見故障，在多次該類缺陷的處理過程中，從（cóng）機（jī）加工方麵和材料選擇兩（liǎng）個方麵考慮處理方案，重（chóng）點對水輪機套筒軸套（tào）與（yǔ）導葉之間的設計間隙進行了檢查、對比、調整，同時為防止機加工變形和由於（yú）環境溫度、濕（shī）度變化從而產生（shēng）的間隙變化，在機（jī）械加工工藝（yì）上做了較大改進，從該方麵杜絕（jué）間隙過小產生抱（bào）死現象。在材料選擇上選用尼龍1010，在材料到場後進行浸（jìn）泡試驗以驗證材料的（de）吸水率和（hé）膨脹率，現場缺乏對非金屬材料的檢測手段從（cóng）而僅憑外觀檢測和廠家出（chū）具的出廠（chǎng）證（zhèng）明，但試驗時間無法模擬機組長期運行（háng）時的各種工況，因而材（cái）料的可靠性不足，隱患依然存在，同時若導葉與配合軸承的間隙擴大，一方麵會帶來導葉（yè）套筒漏水量的增大和轉動配合麵（miàn）之間進（jìn）砂量增加，從而加劇導葉軸（zhóu）頸的磨（mó）損；另（lìng）一方麵由於導水機構整體間隙的變化從而影（yǐng）響到停機（jī）狀態下的機組漏水（shuǐ）量。因（yīn）此，僅通過調整和改變導葉套（tào）筒（tǒng）間隙（xì）值的方案（àn）帶有一定的弊端。必須通過多年的運行經驗調整水輪機套筒軸套與導葉之間的（de）間隙（xì）值和適合的材料[2]，才能使得機組平穩、安全運行。

5 結論

      在水電（diàn）廠中多泥沙河流上的水輪發（fā）電機組，水輪機套筒軸套材料的選擇應（yīng）更為慎重，由於受（shòu）上（shàng）遊降雨影響，過機沙量在汛（xùn）期變化較大，若沙量大於一定數值，將對機組運行工況帶（dài）來較為嚴重的影響（xiǎng）。在水輪機套筒軸套選擇上應充分考（kǎo）慮材料物理化學性能在特（tè）殊環境下的變化，並計算加工誤（wù）差等人為因素。隨著各類國內外新型材料（liào）和技術的出現及應用，在（zài）水質條件有所改善條件下，同時兼顧穩定的物理特性和良好的耐磨和潤滑性能的軸套材料，代替以尼龍為製造材料的水輪機軸套才能成為可能。例（lì）如采用銅基鑲嵌自潤滑軸承等多種複合材料在其（qí）他電站的成功使用，對今後處理（lǐ）該類型的故障建議更換使用（yòng）新型複合材料的軸承以減小尼龍（lóng）材（cái）料的吸水膨脹幾率（lǜ），可在機組檢修期間試用（yòng）數量較少的新材料驗證試用效果，做為將來選擇新型套筒材料的技（jì）術儲備和積（jī）累（lèi）經驗。